JP6013410B2

JP6013410B2 - Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板

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Publication number: JP6013410B2
Application number: JP2014161760A
Authority: JP
Inventors: 公平佐々木
Original assignee: Tamura Corp
Current assignee: Tamura Corp
Priority date: 2014-08-07
Filing date: 2014-08-07
Publication date: 2016-10-25
Anticipated expiration: 2034-08-07
Also published as: WO2016021681A1; JP2016037417A; US20170233892A1; EP3178972A1; CN106574396A; US20210238766A1; EP3178972A4; CN110565173A; TW201614114A; US12104276B2

Description

本発明は、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板に関する。

（１００）面から５０°以上９０°以下回転させた面を主面とするβ−Ｇａ_２Ｏ_３系基板が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、特許文献１では、この（１００）面から５０°以上９０°以下回転させた面として、（０１０）、（００１）、（−２０１）、（１０１）、及び（３１０）面が挙げられている。

国際公開第２０１３／０３５４６４号

本発明の目的は、高い加工歩留まりを実現可能としたＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板を提供することにある。

本発明者等は、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板について鋭意検討を重ねたところ、ある特定の面方位を結晶成長用の主面とすれば、上記目的が達成できることを見いだし、本発明に至った。

即ち、上記目的は、下記の［１］〜［４］に記載された各発明により達成される。

［１］［０１０］軸を回転軸として、（１００）面から（１０１）面を経由して（００１）面に至る回転方向をプラスと定義したとき、（１００）面から１０〜１５０°（ただし、５０〜９０°を除く）回転させた面（ただし、（２０１）面、（−１０１）面、及び（−２０１）面を除く）を主面とする、ダイヤモンド砥粒を用いた研磨処理で発生し、その後のＣＭＰ処理では消えないクラックの密度が０．０５本／ｃｍ未満のＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板。

［２］［０１０］軸を回転軸として、（１００）面から（１０１）面を経由して（００１）面に至る回転方向をプラスと定義したとき、（１００）面から１０〜７０°、及び１００〜１５０°（ただし、５０〜９０°を除く）回転させた面（ただし、（２０１）面、（−１０１）面、及び（−２０１）面を除く）を主面とする、ダイヤモンド砥粒を用いた研磨処理で発生し、その後のＣＭＰ処理では消えないクラックの密度が０．０５本／ｃｍ未満で潜傷のないＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板。

［３］［００１］軸を回転軸として、（１００）面から１０〜９０°回転させた面（ただし、（３１０）面から（０１０）面に至る面を除く）を主面とする、ダイヤモンド砥粒を用いた研磨処理で発生し、その後のＣＭＰ処理では消えないクラックの密度が０．０５本／ｃｍ未満のＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板。

［４］［００１］軸を回転軸として、（１００）面から１０〜９０°回転させた面（ただし、（３１０）面から（０１０）面に至る面を除く）を主面とする、ダイヤモンド砥粒を用いた研磨処理で発生し、その後のＣＭＰ処理では消えないクラックの密度が０．０５本／ｃｍ未満で潜傷のないＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板。

本発明によれば、高加工歩留まりのＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板が得られる。

Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の主面の、［０１０］軸を回転軸とする（１００）面からの回転角度と、主面上のクラック密度との関係を示す図である（実施例１）。Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の主面の、［００１］軸を回転軸とする（１００）面からの回転角度と、主面上のクラック密度との関係を示す図である（実施例１）。［０１０］軸を回転軸として（１００）面から１６０°回転させた面を主面とするＧａ_２Ｏ_３単結晶基板の、主面のＣＭＰ処理後の表面光学顕微鏡写真である（実施例１）。Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の主面の［０１０］軸を回転軸とする（１００）面からの回転角度と潜傷（研磨ダメージ）との関係を示す図である（実施例１）。Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の主面の［０１０］軸を回転軸とする（１００）面からの回転角度と、エピタキシャル膜の成長レートとの関係を示す図である（実施例２）。Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の主面の［００１］軸を回転軸とする（１００）面からの回転角度と、エピタキシャル膜の成長レートとの関係を示す図である（実施例２）。Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の（−２０１）面の［０１０］方向への傾斜角と、エピタキシャル膜の成長レートとの関係を示す図である（実施例２）。Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板にエピタキシャル成長した後のＸ線回折測定結果を示す図（ａ）であり、図（ａ）の（００２）面付近を拡大して示す図（ｂ）である（実施例３）。Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の［０１０］軸を回転軸として回転させた面に成長したエピタキシャル膜表面におけるＲＨＥＥＤ像を示す写真である（実施例３）。Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の主面の［００１］軸を回転軸として回転させた面に成長したエピタキシャル膜表面におけるＲＨＥＥＤ像を示す写真である（実施例３）。Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の主面の［０１０］軸を回転軸とする（１００）面からの回転角度と、それぞれの基板の主面上に成長したエピタキシャル膜の表面粗さ（ＲＭＳ）との関係を示す図である（実施例４）。Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の主面の［０１０］軸を回転軸として回転させた面に成長したエピタキシャル膜表面の、５μｍ角のＡＦＭ像を示す写真である（実施例４）。Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の主面の［００１］軸を回転軸として回転させた面に成長したエピタキシャル膜表面の５μｍ角のＡＦＭ像から推定される表面粗さ（ＲＭＳ）を示す図である（実施例４）。Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の主面の［００１］軸を回転軸として回転させた面に成長したエピタキシャル膜表面の１μｍ角のＡＦＭ像から推定される表面粗さ（ＲＭＳ）を示す図である（実施例４）。Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の主面の［００１］軸を回転軸として回転させた面に成長したエピタキシャル膜表面の１μｍ角のＡＦＭ像を示す写真である（実施例４）。

以下、本発明の好適な実施の形態について、実施例を挙げて図面を参照しながら具体的に説明する。

［実施例１］
Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板は、以下の（１）及び（２）に挙げる問題を有している。

（１）Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板は、（１００）面に強い劈開性を有しており、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板を加工しようとすると、劈開に起因する剥がれやクラックが発生しやすい。基板加工時において剥がれやクラックが発生しやすいため、大型のＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板を得ることが困難である。

（２）（１００）面は強い劈開性を有しているため、（１００）面が基板表面（主面）に対して垂直に近づくほど、特に（１００）面が主面となす角度が４５°以上になると、デバイス製造時においてＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板が割れやすいという問題がある。

そこで、本実施例においては、クラックや割れの生じにくいＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板を得るため、主面の面方位の異なる複数のＧａ_２Ｏ_３単結晶基板を製造し、主面の面方位とクラックの発生量との関係を評価した。

Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板は、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶等のβ−（Ｇａ_ｘＩｎ_ｙＡｌ_ｚ）_２Ｏ_３単結晶（０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）からなる基板である。

（Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の作製）
［０１０］軸を回転軸として（１００）面から０〜１７０°回転させた面を主面とするＧａ_２Ｏ_３単結晶基板、及び［００１］軸を回転軸として（１００）面から１０〜９０°回転させた面を主面とするＧａ_２Ｏ_３単結晶基板のそれぞれをＧａ_２Ｏ_３単結晶から切り出した後、１０ｍｍ角で厚さ１ｍｍの板状に加工した。これらのＧａ_２Ｏ_３単結晶基板は、回転角度毎に２０枚ずつ作製した。この［０１０］軸を回転軸とする１０ｍｍ角のＧａ_２Ｏ_３単結晶基板の一辺は、［０１０］方向に平行である。なお、［０１０］軸を回転軸とする回転の角度は、（１００）面から（１０１）面を経由して（００１）面に至る方向をプラスとしている。また、［００１］軸を回転軸とする１０ｍｍ角のＧａ_２Ｏ_３単結晶基板の一辺は、［００１］方向に平行である。

次に、砥石の粗さが１０００番の研削装置を用い、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の厚さを０．８ｍｍ程度まで削った。研削速度は約６μｍ／ｍｉｎ程度である。この研削後、ダイヤモンドからなる砥粒を吹き付けながら削り量２０μｍ程度の表面研磨を行った。

最後に、ＣＭＰ（Chemical mechanical planarization：化学機械研磨）にて１０μｍ程度の表面研磨を行った。ＣＭＰ処理後、有機溶剤（アセトン、メタノール、ＩＰＡ、エタノール）を用いた有機洗浄を行い、ＨＦ浸漬洗浄、Ｈ_２ＳＯ_４とＨ_２Ｏ_２とＨ_２Ｏとを４：１：１で混合した酸への浸漬洗浄、超純水によるリンス、窒素ブローによる乾燥を施した。

（Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板のクラック密度の評価）
図１及び図２を参照すると、図１には、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の主面の、［０１０］軸を回転軸とする（１００）面からの回転角度と、ＣＭＰ処理後の主面上のクラック密度との関係が示されており、図２には、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の主面の［００１］軸を回転軸とする（１００）面からの回転角度と、ＣＭＰ処理後の主面上のクラック密度との関係が示されている。図１、２に示される各回転角度のＧａ_２Ｏ_３単結晶基板のクラック密度は、それぞれ、２０枚のＧａ_２Ｏ_３単結晶基板のクラック密度の平均値である。

ここで、［０１０］軸を回転軸とするＧａ_２Ｏ_３単結晶基板の主面におけるクラック密度は、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の主面上の［０１０］方向と垂直な方向の直線のうち、最も長い直線を基準直線としたとき、この基準直線と交わる［０１０］方向に沿ったクラックの本数を、この基準直線の長さで除した値と定義する。この基準直線は、例えば、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板が円形である場合は、その中心を通る［０１０］方向と垂直な方向の直線であり、基準直線の長さは円形のＧａ_２Ｏ_３単結晶基板の直径に該当する。

また、［００１］軸を回転軸とするＧａ_２Ｏ_３単結晶基板の主面におけるクラック密度は、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の主面上の［００１］方向と垂直な方向の直線のうち、最も長い直線を基準直線としたとき、この基準直線と交わる［００１］方向に沿ったクラックの本数を、この基準直線の長さで除した値と定義する。この基準直線は、例えば、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板が円形である場合は、その中心を通る［００１］方向と垂直な方向の直線であり、基準直線の長さは円形のＧａ_２Ｏ_３単結晶基板の直径に該当する。

図１及び図２に示されるように、［０１０］軸を回転軸として（１００）面から１０〜１５０°回転させた面を主面とする［０１０］軸回転１０〜１５０°基板と、［００１］軸を回転軸として（１００）面から１０〜９０°回転させた面を主面とする［００１］軸回転１０〜９０°基板とには、クラックが発生しなかった。

２０枚の一辺が［０１０］方向に平行な１０ｍｍ角基板にクラックが発生しないということから、短手方向が［０１０］方向に平行な１０ｍｍ×２００ｍｍの長方形基板にクラックが発生しないということがいえる。短手方向が［０１０］方向に平行な１０ｍｍ×２００ｍｍの長方形基板に発生するクラックが１本未満であるため、クラック密度が０．０５本／ｃｍ未満であるといえる。

同様に、２０枚の一辺が［００１］方向に平行な１０ｍｍ角基板にクラックが発生しないということから、短手方向が［００１］方向に平行な１０ｍｍ×２００ｍｍの長方形基板にクラックが発生しないということがいえる。短手方向が［００１］方向に平行な１０ｍｍ×２００ｍｍの長方形基板に発生するクラックが１本未満であるため、クラック密度が０．０５本／ｃｍ未満であるといえる。

すなわち、［０１０］軸回転１０〜１５０°基板と、［００１］軸回転１０〜９０°基板のクラック密度は０．０５本／ｃｍ未満であるといえる。

一方、［０１０］軸を回転軸として、（１００）面から１６０〜１８０°回転させた面を主面とする［０１０］軸回転１６０〜１８０°基板においては、［０１０］方向に深い筋状不良（クラック）が大量に発生した。これらのクラックはダイヤモンド砥粒を用いた研磨処理で発生し、その後のＣＭＰ処理では消えなかった。

図３は、［０１０］軸を回転軸として（１００）面から１６０°回転させた面（図１の矢印ＩＩＩの測定点に係る面）を主面とするＧａ_２Ｏ_３単結晶基板の、主面のＣＭＰ処理後の表面光学顕微鏡写真である。写真中の黒い部分がクラックによって生じた深い溝であり、写真中の白い部分が研磨された表面である。図３の矢印は、［０１０］方向に垂直な方向を示す。

クラック密度は、［０１０］軸回転１６０°基板で５３本／ｃｍであり、［０１０］軸回転１７０°基板で７９本／ｃｍであった。クラック密度が５３本／ｃｍであった場合は、クラックのない領域の［０１０］方向に垂直な方向の幅は、１８９μｍ程度であった。

ところで、表面研磨後の光学顕微鏡、及びＡＦＭ（原子間力顕微鏡）の観察により、基板の平坦性が得られていたとしても、基板に研磨ダメージが残留している場合があった。それらの残留研磨ダメージ（潜傷）は、その潜傷上にホモエピタキシャル膜を成長させることで表面不良として浮き上がってくる。

潜傷の有無評価のため、ＭＢＥを用いてホモエピタキシャル成長を行った。成長温度は７５０℃とし、成長時間は３０分とした。図４には、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の主面の［０１０］軸を回転軸とする（１００）面からの回転角度と、潜傷（研磨ダメージ）の有無との関係が示されている。

図４から明らかなように、［０１０］軸回転９０°基板上のホモエピタキシャル膜は、半面が鏡面であり、残りの反面が研磨ダメージ由来のスクラッチとヒロックとで覆われた。［０１０］軸回転８０°基板上のホモエピタキシャル膜は、全面が同様のヒロックで覆われた。［０１０］軸回転７６．３°基板上のホモエピタキシャル膜は、ごく一部のみが鏡面であり、ほぼ全面が同様のヒロックで覆われた。よって、［０１０］軸回転７６．３〜９０°の範囲は、研磨ダメージが残留しやすい面であるということが分かった。

なお、［００１］軸を回転軸として（１００）面から１０〜９０°回転させた面を主面とする［００１］軸回転１０〜９０°基板においては、基板全体にわたって潜傷による表面不良は確認されなかった。

従って、表面研磨時におけるクラックの発生、及び潜傷の発生を抑制するためには、［０１０］軸回転１０〜７０°面、［０１０］軸回転１００〜１５０°面、及び［００１］軸回転１０〜９０°面を用いればよいということが理解できる。

上記の本実施例の評価はＧａ_２Ｏ_３単結晶基板について行ったものであるが、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板以外のＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板について評価を行った場合も、上記の評価結果と同様の評価結果が得られる。

以上の説明から明らかなように、次のＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板が得られる。

［０１０］軸を回転軸として、（１００）面から（１０１）面を経由して（００１）面に至る回転方向をプラスと定義したとき、（１００）面から１０〜１５０°回転させた面を主面とし、クラック密度が０．０５本／ｃｍ未満であるＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板。

［０１０］軸を回転軸として、（１００）面から（１０１）面を経由して（００１）面に至る回転方向をプラスと定義したとき、（１００）面から１０〜７０°、１００〜１５０°回転させた面を主面とし、クラック密度が０．０５本／ｃｍ未満であり、潜傷を有しないＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板。

［００１］軸を回転軸として、（１００）面から１０〜９０°回転させた面を主面とし、クラック密度が０．０５本／ｃｍ未満であるＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板。

［００１］軸を回転軸として、（１００）面から１０〜９０°回転させた面を主面とし、クラック密度が０．０５本／ｃｍ未満であり、潜傷を有しないＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板。

（実施例１の効果）
この実施例１によれば、上記効果に加えて、次の効果が得られる。

基板加工時におけるクラック、潜傷や剥がれを著しく抑制することができるようになり、大面積のＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板の製造歩留まりを向上させることができる。具体的には、［０１０］軸を回転軸として（１００）面から１０〜１５０°回転させた面、又は［００１］軸を回転軸として（１００）面から１０〜９０°回転させた面を主面として用いることで、およそ０．２ｍｍ幅以上で２０ｃｍ幅以下の大型のＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板を製造することが可能となる。

［実施例２］
Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の主面が（１００）面である場合、主面上にＧａ_２Ｏ_３結晶膜を成長させる際に供給する原料が再蒸発しやすいため、Ｇａ_２Ｏ_３結晶膜の成長速度が非常に遅く、量産性が低いという問題がある。

そこで、本実施例においては、主面上に成長するＧａ_２Ｏ_３結晶膜の成長レートが高くなるＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板を得るため、主面の面方位の異なる複数のＧａ_２Ｏ_３単結晶基板上にそれぞれＧａ_２Ｏ_３結晶膜を成長させ、主面の面方位とＧａ_２Ｏ_３結晶膜の成長レートとの関係を評価した。

（Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板及びＧａ_２Ｏ_３結晶膜の作製）
［０１０］軸を回転軸として、（１００）面から（１０１）面を経由して（００１）面に至る回転方向をプラスと定義したとき、（１００）面から０〜１５０°回転させた面を主面とするＧａ_２Ｏ_３単結晶基板と、［００１］軸を回転軸として、（１００）面から１０〜９０°回転させた面を主面とするＧａ_２Ｏ_３単結晶基板とを用意した。なお、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板にはＳｎが添加されており、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板はｎ型導電性である。

Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の表面は、研削研磨加工を施し、研削研磨工程後に、ＣＭＰ処理を施した。ＣＭＰ処理後、有機溶剤（アセトン、メタノール、ＩＰＡ、エタノール）を用いた有機洗浄を行い、ＨＦ浸漬洗浄、Ｈ_２ＳＯ_４とＨ_２Ｏ_２とＨ_２Ｏとを４：１：１で混合した酸への浸漬洗浄、超純水によるリンス、窒素ブローによる乾燥を施し、エピタキシャル成長可能な基板状態にした。その基板上に、ＭＢＥを用いてＧａ_２Ｏ_３結晶膜をエピタキシャル成長させた。成長温度は７５０℃とし、成長時間は３０分とした。

（Ｇａ_２Ｏ_３単結晶膜の成長レートの評価）
図５及び図６には、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の主面の［０１０］軸を回転軸とする（１００）面から回転させた面上におけるＧａ_２Ｏ_３結晶膜の成長レートの評価結果と、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の主面の［００１］軸を回転軸とする（１００）面から回転させた面上におけるＧａ_２Ｏ_３結晶膜の成長レートの評価結果とが示されている。

図５は、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の主面の［０１０］軸を回転軸とする（１００）面からの回転角度（°）と、Ｇａ_２Ｏ_３結晶膜の成長レート（ｎｍ／ｈ）との関係を示している。図６は、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の主面の［００１］軸を回転軸とする（１００）面からの回転角度（°）と、Ｇａ_２Ｏ_３結晶膜の成長レート（ｎｍ／ｈ）との関係を示している。

図５において、［０１０］軸を回転軸として、（１００）面から１０°回転させた面である［０１０］軸回転１０°面の成長レートが約５００ｎｍ／ｈであるのに対し、（１００）面の成長レートが１０ｎｍ／ｈ以下（測定下限以下）であることから、［０１０］軸を回転軸として、（１００）面から１０°回転することで、Ｇａ_２Ｏ_３結晶膜の成長レートを少なくとも５０倍以上に向上できることが分かった。

また、図５は、［０１０］軸を回転軸として、１０°以上１５０°以下の範囲で（１００）面から回転させた面を主面とする場合に、（１００）面を主面とする場合よりもＧａ_２Ｏ_３結晶膜の成長レートを格段に大きくできることを示している。

図６は、［００１］軸を回転軸として、１０°以上９０°以下の範囲で（１００）面から回転させた面を主面とする場合に、（１００）面を主面とする場合よりもＧａ_２Ｏ_３結晶膜の成長レートを格段に大きくできることを示している。

一方、（１００）面は強い劈開性を有しており、（１００）面と主面のなす角度が４５°以上になると、デバイス製造時の基板割れが発生しやすい。このため、（１００）面から４５°未満回転させた面を主面として用いることが好適である。

このため、Ｇａ_２Ｏ_３結晶膜の成長レートを高め、かつデバイス製造時の基板割れを抑制するためには、［０１０］軸を回転軸として、（１００）面から１０°以上４５°未満回転させた面、又は［００１］軸を回転軸として、（１００）面から１０°以上４５°未満回転させた面を主面とすればよいといえる。

また、［０１０］軸を回転軸として、（１００）面から（１０１）面を経由して（００１）面に至る回転方向をプラスと定義したとき、（１００）面から１０°以上４５°未満回転させた面若しくは１３５°より大きく１５０°以下回転させた面、又は［００１］軸を回転軸として、（１００）面から１０°以上４５°未満回転させた面を主面とすることで、Ｇａ_２Ｏ_３結晶膜の成長レートを高め、かつデバイス製造時の基板割れを抑制し、さらに主面上のクラック密度を０．０５本／ｃｍ未満にできる。

なお、今回の検討は、［０１０］軸と［００１］軸という直交する２軸を回転軸とした面を主面とする基板を用いて行い、直交する２軸間で同様の結果が得られている。よって、これらの回転軸の中間でも同様の結果が得られることは容易に推測できる。つまり、主面が（１００）面から回転した面である場合、回転軸の方向によらず、回転角度が１０°以上４５°未満であれば、（１００）面よりもＧａ_２Ｏ_３結晶膜の成長レートを大きくできるため、（１００）面から１０°以上４５°未満回転させた面を主面とすることにより、Ｇａ_２Ｏ_３結晶膜の成長レートを高め、かつデバイス製造時の基板割れを抑制できるといえる。

図５及び図６を比較すると、［００１］軸を回転軸として、（１００）面から回転させた面である［００１］軸回転面の方が、［０１０］軸を回転軸として、（１００）面から回転させた面である［０１０］軸回転面よりも全体的に成長レートが高い。例えば、［０１０］軸回転１０°面の成長レートが約５００ｎｍ／ｈであるのに対し、［００１］軸回転１０°面の成長レートは、約７３０ｎｍ／ｈであり、約１．５倍となっている。これは、（０１０）面成分が主面に表れると成長レートが高くなることを示唆している。よって、［０１０］軸回転面を［０１０］方向へ傾斜させ、（０１０）面成分を主面に出すことで、成長レートが上がるのではないかと期待された。

図７は、［０１０］軸回転１２６．２°＝（−２０１）面から［０１０］方向への傾斜角（オフ角）と、エピタキシャル膜の成長レートとの関係を示している。図７から明らかなように、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の（−２０１）面から［０１０］方向への傾斜角が大きくなるにつれて成長レートが上昇し、７°のオフ角で飽和することが分かった。

この結果から、［０１０］軸回転（−２０１）面における成長レート（原料使用効率）を向上させるためには、［０１０］方向へオフ角を持たせることが有効であるといえる。また、その成長レートの増加は７°で飽和することから、７°以上傾けることで成長レートのオフ角依存がなくなり、基板オフ角ばらつきによる成長レートの変動が抑制でき、製造安定性が向上するという効果が得られる。そのため、オフ角は７°以上であることがより好ましい。また、［０１０］軸回転（−２０１）面以外の［０１０］軸回転面を［０１０］方向へ傾斜させた場合にも、同様の結果が得られる。

上記の本実施例の評価はＧａ_２Ｏ_３単結晶基板を用いて行ったものであるが、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板以外のＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板を用いて評価を行った場合も、上記の評価結果と同様の評価結果が得られる。また、Ｇａ_２Ｏ_３結晶膜の代わりに、（Ｇａ_ｘＩｎ_ｙＡｌ_ｚ）_２Ｏ_３結晶膜（０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）を成長させる場合であっても、同様の評価結果が得られる。

（１００）面から１０°以上４５°未満回転させた面を成長面として有するＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板。

［０１０］軸を回転軸として、（１００）面から１０°以上４５°未満回転させた面を成長面として有するＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板。

［０１０］軸を回転軸として、（１００）面から（１０１）面を経由して（００１）面に至る回転方向をプラスと定義したとき、（１００）面から１０°以上４５°未満回転させた面を成長面、又は（１００）面から１３５°より大きく１５０°以下回転させた面を成長面として有するＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板。

［００１］軸を回転軸として、（１００）面から１０°以上４５°未満回転させた面を成長面として有するＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板。

（実施例２の効果）
この実施例２によれば、上記実施例１と同様の効果に加えて、次の効果が得られる。

供給された原料の再蒸発を抑制し、エピタキシャル成長時における原料供給効率を向上することができる。更にはデバイス製造歩留まりの低下を抑制することができる。デバイス製造時の基板割れ等をも抑制することができる。

［実施例３］
Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板上にＧａ_２Ｏ_３結晶膜を成膜する場合、以下の（１）及び（２）に挙げる問題がある。

（１）（０１０）面、（００１）面、（−２０１）面を主面とするＧａ_２Ｏ_３単結晶基板上にＧａ_２Ｏ_３結晶膜を成長させる場合、成長速度には問題がないが、Ｇａ_２Ｏ_３結晶膜の面内の結晶性の分布の均一性が低く、一部に単結晶ではない箇所が生じる。［００１］軸を回転軸として（１００）面から回転させた面を主面とするＧａ_２Ｏ_３単結晶基板上にＧａ_２Ｏ_３結晶膜を成長させる場合の、Ｇａ_２Ｏ_３結晶膜の面内の結晶性については明らかになっていない。単結晶ではない箇所の上にデバイスを作製した場合、その結晶粒界がリーク電流のパスになり、デバイスのオフ性能を低下させる恐れがある。

（２）（００１）面を主面とするＧａ_２Ｏ_３単結晶基板上にＧａ_２Ｏ_３結晶膜を成長させる場合は、成長速度に問題はなく、更に平坦なＧａ_２Ｏ_３結晶膜を得やすいが、（００１）面は（１００）面と同様に強い劈開性を有する面であり、基板表面の研磨が難しく、デバイス製造時に劈開に起因する剥がれ等が発生するおそれがある。

そこで、本実施例においては、面内の結晶性の分布の均一性が高いＧａ_２Ｏ_３結晶膜を成長させることのできるＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板を得るため、主面の面方位の異なる複数のＧａ_２Ｏ_３単結晶基板を製造し、主面の面方位と主面上に成長するＧａ_２Ｏ_３結晶膜の品質との関係を評価した。

以下に、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の主面の面方位と、その主面上に成長するＧａ_２Ｏ_３結晶膜の品質との関係について、図８（ａ）〜図１０を参照しながら詳細に説明する。

Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の表面は、研削研磨加工を施し、研削研磨工程後に、ＣＭＰ処理を施した。ＣＭＰ処理後、有機溶剤（アセトン、メタノール、ＩＰＡ、エタノール）を用いた有機洗浄を行い、ＨＦ浸漬洗浄、Ｈ_２ＳＯ_４とＨ_２Ｏ_２とＨ_２Ｏとを４：１：１で混合した酸への浸漬洗浄、超純水によるリンス、窒素ブローによる乾燥を施し、エピタキシャル成長可能な基板状態にした。その基板上に、ＭＢＥを用いてＧａ_２Ｏ_３結晶膜をエピタキシャル成長させた。成長温度は７５０℃とし、成長時間は３０分とした。Ｇａ_２Ｏ_３結晶の膜厚は、約３００ｎｍ程度である。

（基板と方位の異なる結晶の混入抑制）
図８（ａ）は、ＸＲＤ（X-Ray-Diffractometer：Ｘ線回折装置）のＸ線回折測定｛（００１）非対称２θ−ωスキャン｝により得られたＸ線回折スペクトルを表している。図８（ｂ）は、図８（ａ）のＸ線回折スペクトルの（００２）回折付近を拡大して示す図である。

図中の横軸はＸ線の入射方位と反射方位とがなす角２θ（°）を表し、図中の左側の縦軸はＸ線の回折強度（任意単位）を表している。Ｘ線回折スペクトルの右側の数値はＧａ_２Ｏ_３単結晶基板の主面の［０１０］軸を回転軸とする（１００）面からの回転角度を示している。

図８（ａ）及び図８（ｂ）を見ると、（００２）回折の低角側に、基板結晶と方位の異なる結晶からの回折ピークが観測された。なお、２θ＝２６°、４６．５°付近の回折ピークは、Ｘ線回折装置の試料ステージからの回折に起因するものである。

［０１０］軸回転５０〜８０°面上のＧａ_２Ｏ_３結晶膜において、（００１）面上に（−４０１）配向した結晶の混入が確認された。一方、［０１０］軸回転１２０〜１４０°面上のＧａ_２Ｏ_３結晶膜からは、（００１）面上に（４００）配向した結晶の混入が確認された。

図９は、代表的な［０１０］軸回転４０°、５０°、７０°、９０°、１００°、１２６．２°、１４０°、１５０°面上のＧａ_２Ｏ_３結晶膜表面におけるＲＨＥＥＤ（Reflective High-Energy Electron Diffraction：反射型高速電子線回折）像を示している。

図９から明らかなように、ＸＲＤ評価において基板と方位の異なる結晶の混入が確認された［０１０］軸回転５０°、７０°、１２６．２°、１４０°面上のＧａ_２Ｏ_３結晶膜のＲＨＥＥＤ像は、スポッティ（ｓｐｏｔｔｙ）なパターンを示した。基板と方位の異なる結晶がＧａ_２Ｏ_３結晶膜に混入することにより、原子配列が乱され、スポッティなパターンとなったものと思われる。

一方、基板と方位の異なる結晶の混入がない［０１０］軸回転４０°、９０°、１００°、１５０°面上のＧａ_２Ｏ_３結晶膜のＲＨＥＥＤ像は、ストリーク（ｓｔｒｅａｋ）パターンを示した。ストリークパターンは、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶膜が得られていることを示している。

図１０は、［００１］軸回転面上に成長したＧａ_２Ｏ_３結晶膜の表面におけるＲＨＥＥＤ像を示している。

図１０から明らかなように、［００１］軸回転１０〜９０°面上のＧａ_２Ｏ_３結晶膜の表面においては、全てのＲＨＥＥＤ像がストリークパターンを示した。よって、基板と方位の異なる結晶の混入がないＧａ_２Ｏ_３単結晶膜が得られる。

なお、これらの基板と方位の異なる結晶の混入は、エピタキシャル成長中の積層欠陥に起因することがわかっている。

以上の説明から明らかなように、次のＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板、及びＧａ_２Ｏ_３系単結晶膜の成長方法が得られる。

［０１０］軸を回転軸として、（１００）面から（１０１）面を経由して（００１）面に至る回転方向をプラスと定義したとき、（１００）面から１０〜４０°、７６．３°、９０°〜１１０°、１５０°回転させた面を成長面として有するＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板。

［００１］軸を回転軸として、（１００）面から１０〜９０°回転させた面を成長面として有するＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板。

［０１０］軸を回転軸として、（１００）面から（１０１）面を経由して（００１）面に至る回転方向をプラスと定義したとき、（１００）面から１０〜４０°、７６．３°、９０°〜１１０°、１５０°回転させた面を主面とするＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板の主面上にＧａ_２Ｏ_３系結晶をエピタキシャル成長させ、Ｇａ_２Ｏ_３系結晶膜を形成する工程を含むＧａ_２Ｏ_３系単結晶膜の成長方法。

［００１］軸を回転軸として、（１００）面から１０〜９０°回転させた面を主面とするＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板の主面上にＧａ_２Ｏ_３系結晶をエピタキシャル成長させ、Ｇａ_２Ｏ_３系結晶膜を形成する工程を含むＧａ_２Ｏ_３系単結晶膜の成長方法。

（実施例３の効果）
上記実施例３によれば、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板の主面上に、基板と方位の異なる結晶を含まないＧａ_２Ｏ_３系結晶膜を成長させることができ、デバイスのリーク電流を低減できる。

［実施例４］
Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板上にＧａ_２Ｏ_３結晶膜を成膜する場合、その結晶膜の表面平坦性と面方位の関係が明らかになっていなかった。例えば、表面の荒れた結晶膜上に電極を形成してトランジスタを作製した場合、電極とＧａ_２Ｏ_３結晶膜界面の電界が不均一になり、デバイスの耐圧低下を引き起こす恐れがある。よって、結晶膜の表面平坦性は高いほど好ましい。

そこで、本実施例においては、主面上に成長するＧａ_２Ｏ_３結晶膜の平坦性が高くなるＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板を得るため、主面の面方位の異なる複数のＧａ_２Ｏ_３単結晶基板上にそれぞれＧａ_２Ｏ_３結晶膜を成長させ、主面の面方位とＧａ_２Ｏ_３結晶膜の平坦性との関係を評価した。

（Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板及びＧａ_２Ｏ_３結晶膜の作製）
［０１０］軸を回転軸として、（１００）面から（１０１）面を経由して（００１）面に至る回転方向をプラスと定義したときに、（１００）面から０〜１５０°回転させた面を主面とするＧａ_２Ｏ_３単結晶基板と、［００１］軸を回転軸として、（１００）面から１０〜９０°回転させた面を主面とするＧａ_２Ｏ_３単結晶基板とを用意した。なお、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板にはＳｎが添加されており、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板はｎ型導電性である。

Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の基板表面は、研削研磨加工を施し、研削研磨工程後に、ＣＭＰ処理を施した。ＣＭＰ処理後、有機溶剤（アセトン、メタノール、ＩＰＡ、エタノール）を用いた有機洗浄を行い、ＨＦ浸漬洗浄、Ｈ_２ＳＯ_４とＨ_２Ｏ_２とＨ_２Ｏとを４：１：１で混合した酸への浸漬洗浄、超純水によるリンス、窒素ブローによる乾燥を施し、エピタキシャル成長可能な基板状態にした。その基板上に、ＭＢＥを用いてＧａ_２Ｏ_３結晶膜を成長させた。成長温度は７５０℃とし、成長時間は３０分とした。Ｇａ_２Ｏ_３結晶の膜厚は、約３００ｎｍである。

（Ｇａ_２Ｏ_３結晶膜の平坦性）
図１１は、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の［０１０］軸を回転軸とした時の（１００）面からの回転角度（°）と、それぞれの基板の主面上に成長したエピタキシャル膜の表面粗さ（ＲＭＳ）（ｎｍ）との関係を示す図である。表面粗さ（ＲＭＳ）は、Ｇａ_２Ｏ_３結晶膜表面の５μｍ角のＡＦＭ像から推定した。

図１１から明らかなように、［０１０］軸を回転軸として（１００）面から３０°、７６．３°、９０°〜１１０°、１５０°回転させた面上に成長したＧａ_２Ｏ_３結晶膜において、表面粗さが著しく小さくなる傾向が確認された。

図１２は、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の［０１０］軸を回転軸として回転させた面に成長したエピタキシャル膜表面の、５μｍ角のＡＦＭ像を示している。

図１２から明らかなように、［０１０］軸を回転軸として（１００）面から３０°、７６．３°、９０°〜１１０°、１５０°回転させた面上のＧａ_２Ｏ_３結晶膜には、明瞭な原子ステップが観測されており、ステップフロー成長していると考えられる。

図１３は、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の［００１］軸を回転軸として回転させた面上に成長したエピタキシャル膜表面の、５μｍ角のＡＦＭ像から推定される表面粗さ（ＲＭＳ）を示している。

図１３から明らかなように、［００１］軸を回転軸として１０〜９０°回転させた面上の全角度範囲にわたって平坦なＧａ_２Ｏ_３結晶膜が得られた。

図１４は、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の［００１］軸を回転軸として回転させた面上に成長したエピタキシャル膜表面の、１μｍ角のＡＦＭ像から推定される表面粗さ（ＲＭＳ）を示している。

図１４から明らかなように、［００１］軸を回転軸として１０〜９０°回転させた面の全角度範囲にわたって平坦なＧａ_２Ｏ_３結晶膜が得られた。平坦なＧａ_２Ｏ_３結晶膜が得られた中でも、特に６０°付近で平坦性が高まることが分かる。

図１５は、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板の［００１］軸を回転軸として回転させた面上に成長したエピタキシャル膜表面の、１μｍ角のＡＦＭ像を示している。

図１５から明らかなように、６０°付近で二次元成長した平坦な表面が観測された。６０°付近から離れるにつれてステップバンチングが大きくなり、表面が荒れていく様子が確認された。

以上の説明から明らかなように、次のＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板、及びＧａ_２Ｏ_３系結晶膜の成長方法が得られる。

［０１０］軸を回転軸として、（１００）面から（１０１）面を経由して（００１）面に至る回転方向をプラスと定義したとき、（１００）面から３０°、７６．３°、９０°〜１１０°、１５０°回転させた面を成長面として有するＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板。

［０１０］軸を回転軸として、（１００）面から（１０１）面を経由して（００１）面に至る回転方向をプラスと定義したとき、（１００）面から３０°、７６．３°、９０°〜１１０°、１５０°回転させた面を主面とするＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板の主面上にβ−Ｇａ_２Ｏ_３系結晶をエピタキシャル成長させ、β−Ｇａ_２Ｏ_３系結晶膜を形成する工程を含むＧａ_２Ｏ_３単結晶膜の成長方法。

［００１］軸を回転軸として、（１００）面から１０〜９０°回転させた面を主面とするＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板の主面上にβ−Ｇａ_２Ｏ_３系結晶をエピタキシャル成長させ、β−Ｇａ_２Ｏ_３系結晶膜を形成する工程を含むＧａ_２Ｏ_３単結晶膜の成長方法。

（実施例４の効果）
この実施例４によれば、上記実施例３と同様の効果に加えて、平坦性の高いＧａ_２Ｏ_３結晶膜が得られ、デバイスの耐圧低下を抑制できる。

［他の実施例］
本発明におけるＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板の代表的な構成例を上記各実施例、及び図示例を挙げて説明したが、次に示すような他の実施例も可能である。

図示例からも明らかなように、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板上にＧａ_２Ｏ_３系結晶膜をエピタキシャル成長させるには、（４０１）面、（２０１）面、（−１０２）面、（−１０１）面、（−４０１）面、（２１０）面などを主面とするＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板であっても構わない。これらのＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板も、平坦性の高いＧａ_２Ｏ_３系単結晶膜を高速成長するための研磨クラック密度の低いＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板として用いることが可能である。そして、これらの面を主面とするＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板上のＧａ_２Ｏ_３系結晶膜を用いてデバイスを作製した場合、単結晶ではない箇所が生じていないためリーク電流の増加は起こらず、結晶膜表面の平坦性が高いため、電極とＧａ_２Ｏ_３系結晶膜界面の電界が均一となり、耐圧の低下を抑制できる。

なお、上記の各実施例において、効果を得ることができるＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板の主面の（１００）面からの［０１０］軸回転の角度範囲は、基板面内の［０１０］軸と直交する方向を回転軸とする角度ずれが存在する場合であっても、その角度ずれの大きさがおよそ±５度以内であれば、その影響をほとんど受けない。

また、上記の各実施例において、効果を得ることができるＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板の主面の（１００）面からの［００１］軸回転の角度範囲は、基板面内の［００１］軸と直交する方向を回転軸とする角度ずれが存在する場合であっても、その角度ずれの大きさがおよそ±５度以内であれば、その影響をほとんど受けない。

以上の説明からも明らかなように、本発明に係る代表的な各実施例、及び図示例を例示したが、上記各実施例、及び図示例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。従って、上記各実施例、及び図示例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

Claims

［０１０］軸を回転軸として、（１００）面から（１０１）面を経由して（００１）面に至る回転方向をプラスと定義したとき、（１００）面から１０〜１５０°（ただし、５０〜９０°を除く）回転させた面（ただし、（２０１）面、（−１０１）面、及び（−２０１）面を除く）を主面とする、ダイヤモンド砥粒を用いた研磨処理で発生し、その後のＣＭＰ処理では消えないクラックの密度が０．０５本／ｃｍ未満のＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板。
［０１０］軸を回転軸として、（１００）面から（１０１）面を経由して（００１）面に至る回転方向をプラスと定義したとき、（１００）面から１０〜７０°、及び１００〜１５０°（ただし、５０〜９０°を除く）回転させた面（ただし、（２０１）面、（−１０１）面、及び（−２０１）面を除く）を主面とする、ダイヤモンド砥粒を用いた研磨処理で発生し、その後のＣＭＰ処理では消えないクラックの密度が０．０５本／ｃｍ未満で潜傷のないＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板。
［００１］軸を回転軸として、（１００）面から１０〜９０°回転させた面（ただし、（３１０）面から（０１０）面に至る面を除く）を主面とする、ダイヤモンド砥粒を用いた研磨処理で発生し、その後のＣＭＰ処理では消えないクラックの密度が０．０５本／ｃｍ未満のＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板。
［００１］軸を回転軸として、（１００）面から１０〜９０°回転させた面（ただし、（３１０）面から（０１０）面に至る面を除く）を主面とする、ダイヤモンド砥粒を用いた研磨処理で発生し、その後のＣＭＰ処理では消えないクラックの密度が０．０５本／ｃｍ未満で潜傷のないＧａ_２Ｏ_３系単結晶基板。